Carga elétrica
Prof. Dr. José Pedro Donoso
Universidade de São Paulo
Instituto de Física de São Carlos - IFSC
Agradescimentos
O docente da disciplina, Jose Pedro Donoso, gostaria de expressar o seu
agradecimento as editoras LTC (Livros Técnicos e Científicos), Pearson Education
e AMGH. Parte das figuras utilizadas nos slides foram obtidas dos livros textos
”Fisica” de Tipler & Mosca, “Fundamentos de Física” de Halliday, Resnick e
Walker e “Física III” de Young & Freedman, “Física para Universitários” de Bauer,
Westfal e Dias, através do acesso ao material de apoio para os professores
facilitados por essas editoras.
Halliday, Resnick & Walker, Fundamentos de Física (8ª edição, LTC, 2009)
Acúmulo de cargas elétricas
No tempo seco, os pedacinhos de papel são atraídos pelo pente
Young e Freedman, Sears & Zemansky Física III (12ª edição, Pearson, 2014)
Pedacinhos de papel atraídos pelo pente
A menina está parada em cima de uma plataforma que a isola elétricamente do solo
e, assim ela acumula carga devido ao contato com a cúpula de um gerador de Van de Graaff. Seu cabelo levanta porque as cargas nos fios de cabelo têm o mesmo sinal e
cargas iguais se repelem mutuamente.
Tipler & Mosca, Física (LTC, 2009) ©2008 by W.H. Freeman and Company
Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company
Carga eletrica
Filtro de ar eletrostático
Uma filtragem prévia retém as
partículas maiores da sujeira no
ar. As menores passam por uma
grade eletrificada aquirindo uma
carga positiva. As partículas são
repelidas para um segundo
precipitador, fixando-se na sua
malha.
Cutnell & JohnsonPhysics
(3rd edition. Wiley 1995)
Filtro eletrostático
Os gases passam entre duas
eletrodos verticais carregados. As
partículas se carregam com os
elétrons do eletrodo negativo e são
atraídas ao eletrodo positivo. As
partículas se acumulam e fluem para
o fundo do coletor. Esta técnica
remove aerosols (partículas
menores que 10-3 mm) e partículas
maiores
C.H. Snyder, The Extraordinary Chemistry of Ordinary Things (Wiley 1995)
Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company
Pára-raios
Ele está aterrado de forma que possa conduzir elétrons do solo para as nuvens
carregadas positivamente, neutralizando-as.
Lei de Coulomb
A força que uma carga exerce sobre outra
Cutnell & Johnson, Physics (3rd edition. Wiley 1995)S. Parker, Eletricidade, Coleção Aventura na Ciência (Editora Globo, 1994)
Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company
Tomada de parede
Os conetores arredondados estão conectados a um bastão metálico que está
enterrado no solo.
Gotículas de tinta com carga negativa são borrificadas. O metal a ser pintado é
aterrado. Quando as gotículas se aproximam aparecem cargas induzidas de sinal
oposto na superfície do objeto a ser pintado, e atraim as gotículas a superfície. Este processo minimiza as perdas e a dispersão das gotículas de tinta.
Sears & Zemansky, FísicaH.D. Young, R.A. Freedman
(10ª ed, Pearson 2004)
Gotículas de tinta com carga negativa são borrificadas. O metal a ser pintado é
aterrado. Quando as gotículas se aproximam aparecem cargas induzidas de sinal
oposto na superfície do objeto a ser pintado, e atraim as gotículas a superfície. Este processo minimiza as perdas e a dispersão das gotículas de tinta.
Sears & Zemansky, Física. H.D. Young, R.A. Freedman (10ª ed, Pearson 2004)
Carregando uma esfera metálica por indução
Quando o Fe está exposto a água, ocorre um processo de oxidação Fe(s) → Fe2+ + 2e-
Os íons Fe2+ reagem com os íons hidroxila, Fe2+ + 2(OH) → Fe(OH)2 o qual oxida
facilmente por O2, dando Fe(OH)3. A desidratação deste leva a formação de ferrugem
2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O
Uma forma de prevenir a corrosão é usar uma proteção catódica , colocando o Fe em
contato com um metal que oxide mais facilmente (como o Zn)
Aplicação: cathodic protection
Brady + Holum, Chemistry (Wiley 1993, Ebbing, General Chemistry (1993))
Imagens:WikipediaCathodic Protection
Coleção Aventura na CiênciaEletricidade
(Editora Globo, 1994)
O uso das cargas: xerografia
do Grego: xeros e graphos, que significa “escrita em seco”
Máquina fotocopiadoraO cilindro de alumínio possui uma camada
de selênio, metal fotocondutor (fica condutor quando exposto a luz).
1 - o eletrodo carrega a superfície de Se
2 - As lentes enfocam a imagem no tambor. As áreas iluminadas reproduzem a figura
3 - O toner (de carga -) espalhado no tambor
adere a região da imagem (carga +)4 - Transferência do toner para o papel
5 - A imagem é fixada por aquecimento.
Cutnell & JohnsonPhysics
Impressora laser
Seu funcionamento é semelhante ao de
uma máquina fotocopiadora.
Os dados transferidos do computador
são copiados no cilindro de alumínio por
um laser . Este varre a superfície do
cilindro gravando a imagem de carga
positiva. A operação é governada por
um modulador, que deixa ou não passar
a luz que incide no cilindro.
Cutnell & Johnson, Physics(3rd edition. Wiley 1995)
Young e Freedman, Sears & Zemansky Física III (12ª edição, Pearson, 2014)
Impressora a laser
Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company
Eletroscópio:
Duas folhas de ouro pressas a uma coluna condutora.
Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company
Carga por indução:
Condutores neutros em contato tornam-se carregados com cargas opostas
quando um bastão atrai elétrons para a esfera esquerda.
Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company
Indução através de aterramento
Quando o condutor é aterrado, os elétrons da Terra neutralizam a carga positiva da
face da esfera que está distante do bastão. O condutor fica carregado negativamente.
Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company
Charles Coulomb (1736 – 1806)
Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company
Força elétrica no átomo de hidrogênio
O eletron está separado do próton por uma distância r = 53 pm.
Calcule a força eletrostática de atração
Halliday, Resnick & WalkerFundamentos de Física (8ª edição, LTC, 2009)
(a) Dois bastões carregados com cargas do
mesmo sinal se repelem
(b) Dois bastões carregados com cargas de
sinais opostos se atraem
Os sinais + e - indicam um excesso de cargas
positivas ou negativas, respectivamente
Halliday, Resnick & Walker, Fundamentos de Física (8ª edição, LTC, 2009)
Uma barra de cobre isolada da
Terra. Qualquer das extremidades
da barra é atraída por um bastão
de plástico eletricamente
carregado.
A carga + da barra é atraída pela
carga – do bastão, e faz girar a
barra de cobre
Young & Freedman, Sears & Zemansky Física III (Pearson, 2009)
(a) bola condutora suspendida por um fio isolante sobre um recipiente condutor.
(b) a bola carregada induz cargas no interior e no exterior do recipiente
(c) Quando a bola toca o recipiente, ela passa a fazer parte da superfície interna:
toda a sua carga é transferida para o recipiente
Experiência do balde de gelo de Faraday
Halliday, Resnick & WalkerFundamentos de Física (8ª edição, LTC, 2009)
A carga é conservada
Trilhas de pequenas bolhas deixadas por um eletron (e ) e
sua antipartícula, o pósitron (e ), numa câmara de bolhas.
O par de partículas foi produzido por um raio γ que entrou na
câmara (parte inferior da fotografia). Como o raio γ é
eletricamente neutro, não produz trilha.
O raio gama se transformou em um elétron e um pósitron ao
interagir com uma partícula na câmara. As trilhas são curvas
porque existe um campo magnético no interior da câmara.
Tipler & Mosca, Física para cientistas e engenheiros (LTC, 2009)©2008 by W.H. Freeman and Company
Cobre: material condutor
Referências bibliográficas
Tipler & Mosca. Física para cientistas e engenheiros. Volume 2 (Editora LTC)
4a edição (2000), 5a edição (2006) ou 6a edição (2009)
Halliday, Resnick & Walker. Fundamentos da Física (LTC, 8a ed. 2009, 9a ed. 2012)
Halliday, Resnick & Krane. Física 3 (LTC, 5a ed. 2004))
Young & Freedman, Sears Zemansky Física III (Pearson, 10a ed 2003, 12a ed 2008)
Serway e Jewett. Princípios de Física, vol. 3: Eletromagnetismo (Cengage, 2004)
Bauer, Westfall. Dias, Física para universitários: Eletricidade e Magnetismo (AMGH, 2012)